20kg級(jí)自主水下機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了用于對(duì)20 kg級(jí)便攜式AUV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制的軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。該軟件是基于MFC對(duì)話框運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下的程序，使用了多線程編程技術(shù)和串口通信技術(shù)。串口操作線程用于向串口讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，并且在處理后把最終結(jié)果發(fā)送給主線程和導(dǎo)航線程。在主線程中將數(shù)據(jù)顯示到界面上，在導(dǎo)航線程根據(jù)導(dǎo)航算法計(jì)算出用于導(dǎo)航的數(shù)據(jù)并寫(xiě)入串口以控制AUV的運(yùn)行狀態(tài)，包括AUV上浮、下潛、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件達(dá)到了預(yù)定效果。
關(guān)鍵詞：便攜式AUV；多線程；串口通信；MFC

0 引言
    自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)代表著未來(lái)水下機(jī)器人的發(fā)展方向，因而是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。而便攜式AUV由于使用方便，可執(zhí)行環(huán)境評(píng)估、水文地理、輔助水道測(cè)量、港口安全、巖屑區(qū)域繪圖等工作以及可以用在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，將是未來(lái)AUV發(fā)展的重點(diǎn)。
    本文主要論述了便攜式AUV控制軟件的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，該軟件主要用于監(jiān)視AUV在水下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息以及控制AUV的運(yùn)行。AUV在水下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息包括位置信息、航向、艙內(nèi)溫濕度、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、舵的方向角以及在水面時(shí)GPS傳感器數(shù)據(jù)等信息，該軟件將這些信息顯示到界面上最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的監(jiān)控和導(dǎo)航。

1 便攜式AUV系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    該小型AUV由兩個(gè)密封艙組成，前艙安置了傳感器系統(tǒng)，后艙安置了AUV推進(jìn)器以及方向舵的控制系統(tǒng)。兩個(gè)密封艙中間放置的一個(gè)垂直推進(jìn)器用來(lái)控制AUV的上下運(yùn)動(dòng)，后艙安放了用于控制AUV水平方向的水平推進(jìn)器和方向舵。系統(tǒng)搭載了AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于AUV的導(dǎo)航。AHRS傳感器用來(lái)測(cè)量AUV的航向角、俯仰角、橫滾角、3個(gè)方向的速度、加速度；數(shù)字羅盤測(cè)量AUV的航向角等信息控制軟件對(duì)一串口進(jìn)行操作，該串口連接與AUV進(jìn)行通信的無(wú)線模塊。將從無(wú)線模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)慣性導(dǎo)航算法處理，根據(jù)協(xié)議將慣性導(dǎo)航算法處理結(jié)果發(fā)送到AUV，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的控制。

2 串口通信
    串口在做文件處理時(shí)，簡(jiǎn)單的應(yīng)用可以采用查詢方式或定時(shí)方式，復(fù)雜的可以采用事件驅(qū)動(dòng)的方式。所謂事件驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)串口有數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入緩沖區(qū)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行接收程序。利用WinAPI讀／寫(xiě)串口操作可以有同步方式與異步方式。所謂同步方式是指發(fā)出寫(xiě)命令時(shí)，直到有數(shù)據(jù)寫(xiě)入到輸出緩沖區(qū)寫(xiě)函數(shù)才返回。異步方式的重疊方式是指發(fā)出寫(xiě)操作命令后，不管寫(xiě)操作是否完成，寫(xiě)函數(shù)馬上返回，寫(xiě)操作在后臺(tái)繼續(xù)進(jìn)行，寫(xiě)操作完成后通過(guò)某種方式通知調(diào)用寫(xiě)操作的線程。這樣避免了主線程被掛起，提高了程序的工作效率。
2．1 串口通信設(shè)置
    在實(shí)現(xiàn)串口通信時(shí)，首先在界面上設(shè)置串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)等信息。單擊按鈕打開(kāi)串口，進(jìn)入命令響應(yīng)函數(shù)OnBtnOpen()，利用API函數(shù)打開(kāi)并對(duì)串口進(jìn)行配置。最后使用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建一個(gè)線程。由于軟件工作過(guò)程中需要傳送的數(shù)據(jù)量不大，所以僅僅打開(kāi)一個(gè)串口。
    主線程打開(kāi)串口具體流程圖如圖1所示。

    在主線程中打開(kāi)串口的代碼如下：
    m_hCom=CreateFile(m_port，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，F(xiàn)ILE_FLAG_OVERLAPPED，NULL)
    在串口操作線程中使用API函數(shù)ReadFile用于讀取串口數(shù)據(jù)ReadFile(hCom，buf，19，＆Length，＆Eol)；而在該線程中向AUV發(fā)送控制指令時(shí)使用：
    fState=WriteFile(m_hCom，buf，19，＆m_bytes，＆m_os Write)
2．2 串口通信協(xié)議
    串口通信必須遵守一定的通信協(xié)議，才可實(shí)現(xiàn)該控制軟件與AUV的正常通信。串口通信數(shù)據(jù)格式如圖2所示，圖中Data0，Datal，Data2 …代表一個(gè)字(2 B)。

    發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)最長(zhǎng)為19 B，Data0中第1個(gè)字節(jié)代表指令(0xA1)、請(qǐng)求(0xB2)或者正常應(yīng)答(0xC3)等含義；Data0中第2個(gè)字節(jié)代表具體指令、請(qǐng)求何種信息或者某種信息的應(yīng)答。Data1，Data2，…代表發(fā)送或者接收到的數(shù)據(jù)。開(kāi)關(guān)機(jī)指令長(zhǎng)度為19 B，第19字節(jié)控制8個(gè)繼電器，1，0分別表示開(kāi)、關(guān)第零位控制總電源。開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)指令前18 B分別是：
    ～A16613579BDF02468ACE13579BDF02468A
    ～A166DF985713CE8A4602DF9B5713CE8A46
    開(kāi)機(jī)指令的第19個(gè)字節(jié)根據(jù)需要選擇相應(yīng)的繼電器開(kāi)啟或關(guān)閉；關(guān)閉指令第19個(gè)字節(jié)為0x00，所有的繼電器關(guān)閉。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 多線程實(shí)現(xiàn)
    一個(gè)進(jìn)程可有多個(gè)線程，使用多線程可提高軟件的執(zhí)行效率。該控制軟件共有3個(gè)線程組成，包括一個(gè)主線程、一個(gè)導(dǎo)航線程和在成功打開(kāi)串口后利用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建的一個(gè)串口操作線程(如圖3所示)。

    串口操作線程讀取串口數(shù)據(jù)，并提取有效數(shù)據(jù)，接著利用函數(shù)PostMessage將有效數(shù)據(jù)分別傳送到主線程和導(dǎo)航線程。主線程將有效數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解包并把數(shù)據(jù)包中包含的AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器和推進(jìn)器、前艙環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)顯示到界面上。當(dāng)使用搖桿控制AUV的運(yùn)行時(shí)主線程每隔0．5 s從USB接口接收數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成推進(jìn)器轉(zhuǎn)速以及方向舵的方向角信息，且將這些信息發(fā)送到串口操作線程寫(xiě)入串口。
    在主線程中創(chuàng)建串口操作線程的代碼如下：
    hThread=CreateThread(NULL，0，ThreadProc，(LPVOID)this，0，NULL)；
    在串口操作線程中將有效數(shù)據(jù)發(fā)送到主線程的代碼如下：
    PostMessage(*pDlg，WM_MYMSGl，
    (WPARAM)buf，(LPARAM)Length)；
3．2 關(guān)鍵算法
    由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置估計(jì)精度會(huì)隨時(shí)間而漂移，所以導(dǎo)航線程采用基于GPS／INS的組合導(dǎo)航算法，用GPS輔助導(dǎo)航，即用GPS信息輔助修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出，包括航向角和速度。對(duì)AUV的航向角信息修正是通過(guò)經(jīng)典的PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。

    設(shè)Ji-1，Ji為AUV的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，AUV即A點(diǎn)從Ji-1到Ji點(diǎn)運(yùn)行。設(shè)正北方向矢量為，根據(jù)圖5按照下式可計(jì)算出角度θ。角度θ計(jì)算公式為：
    
    在AUV進(jìn)行Ji-1～Ji段的航行時(shí)，AUV根據(jù)導(dǎo)航算法不斷算出坐標(biāo)并判斷是否到達(dá)指定區(qū)域，當(dāng)離指定區(qū)域?yàn)镽時(shí)(R很小)，即可判定到達(dá)指定區(qū)域。在到達(dá)指定區(qū)域之前不斷利用AUV PID航向角閉環(huán)控制算法修正航向角θ，最終實(shí)現(xiàn)AUV的GPS／INS組合導(dǎo)航。

4 控制軟件界面及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4．1 軟件界面
    本文設(shè)計(jì)的軟件界面左側(cè)上半部分和右側(cè)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的控制，界面左側(cè)中下部分的3個(gè)儀表盤和TAB頁(yè)控件顯示AUV的各個(gè)狀態(tài)信息。
    單擊開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)按鈕將實(shí)現(xiàn)AUV的開(kāi)啟與關(guān)閉；單擊詢問(wèn)AUV按鈕，此時(shí)應(yīng)答情況為AUV存在，表示監(jiān)控軟件與AUV的通信正常，否則應(yīng)該檢查無(wú)線模塊和AUV。單擊前艙參數(shù)、GPS經(jīng)緯度、GPS時(shí)間、推進(jìn)器狀態(tài)、AUV航向角等按鈕將持續(xù)獲得AUV相應(yīng)的信息；步進(jìn)電機(jī)控制按鈕用于實(shí)現(xiàn)方向舵的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AUV方向的調(diào)整。為了防止步進(jìn)電機(jī)失步，這里還特意設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的微調(diào)按鈕，目的是在步進(jìn)電機(jī)失步時(shí)將方向舵調(diào)整回原位置。
    該控制軟件還以儀表盤的方式顯示推進(jìn)轉(zhuǎn)速、羅盤、溫、濕度等信息。
    以速度儀表盤為例，當(dāng)從串口接收到的數(shù)據(jù)中提取出水平推進(jìn)器或垂直推進(jìn)器速度信息時(shí)，將速度信息存放到成員變量m_Spd1或者m_Spd 2。利用API函數(shù)得到控件IDC_STATIC_SPD的區(qū)域坐標(biāo)rect2，調(diào)用API函數(shù)InvalidateRect(＆rect2)重繪，將進(jìn)入函數(shù)CDspsockDlg：OnPaint()重繪。利用MFC中的函數(shù)Pie，Ellipse，SetBkColor，TextOut畫(huà)出儀表盤背景。最后通過(guò)下列兩個(gè)公式將速度值轉(zhuǎn)換成對(duì)話框上的坐標(biāo)值，調(diào)用函數(shù)畫(huà)一條連接該區(qū)域中心位置到該點(diǎn)(a1，b1)的直線，最終實(shí)現(xiàn)儀表指針隨速度值的變化。坐標(biāo)(a1，b1)計(jì)算公式如下：
    b1=60sin((m_Spd1×3／25+150)π／180)
    a1=60cos((m_Spd1×3／25+150)π／180)
4．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    軟件運(yùn)行期間界面顯示如下。圖6顯示了溫、濕度分別是32°，51．5°；單擊復(fù)位按鈕、溫濕度指針將分別指向-30°，20°位置處；圖6還顯示了2個(gè)推進(jìn)器的速度信息，其中水平推進(jìn)器速度為1 180 r／min，垂直推進(jìn)器速度為0．此時(shí)AUV在水平方向運(yùn)動(dòng)垂直方向靜止。

5 結(jié)語(yǔ)
    介紹了20 kg級(jí)便攜式AUV控制軟件的實(shí)現(xiàn)，該軟件利用串口通信技術(shù)、多線程編程技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)量不很大的情況下表現(xiàn)了良好的性能。軟件以穩(wěn)定的性能、友好的界面及簡(jiǎn)單的操作方法滿足了對(duì)便攜式AUV的監(jiān)視和控制。